EMI Effects at TTF(ElectroMagnetic Interference)

Tatsiana KlimkovichDESY

ILC@DESY General Progect Meeting, 22 April 2005   

Content

What is EMI?

EMI influence on Machine side

 Possible influence on ILC Detector

Next steps

Resources

LCWS 05 at Stanford MDI Workshop 2005 at SLAC Meeting „EMI Improvements at TTF“ Talking to machine people Talking to VTX detector people 

EMI Definition (From Holger Schlarb and Peter Göttlicher) EMI = Electromagnetic InterferenceUnwanted electromagnetic emissions, generated by electronic or electrical devices, that degrade the performance of another electronic device. 

The interference is produced by a source emitter and is detected by a susceptible victim via coupling path. The coupling path may involve one or more of the following coupling mechanisms:

•  Conduction  (electric current)•  Radiation  (electromagnetic field)•  Capacitive coupling  (electric field)•  Inductive coupling  (magnetic field) 

Maximum acceptable levels of EMI from electronic devices are detailed i.e. by the FCC =  Federal communications commission (US) 

EMC DefinitionEMC = Electromagnetic compatibility 

The ability of a device, unit of equipment or system to function satisfactorily in its electromagnetic en­vironment without introducing intolerable elec­tromagnetic disturbances to anything in that envi­ronment.Common methods of noise reduction:proper equipment circuit design, shielding, grounding, filtering, isolation, separation and ori­entation, circuit impedance level control, cable design, cable distribution, and noise cancellation techniques.

EMC at DESYEMC is regulated in EU: legal character, but DESY as self­user of developments needs not to certify!Requirements on devices might be even more stringent as legal! 

Motivation for EMC

• System­Integrity: Function of large system only successful if  the perturbation of the sub­systems to each other is small.

Motivation for EMC

Courtesies: P. Göttlicher

EMI Sources at DESY

➢ Pulsed operation: The combination of•  high pulsed currents and voltage sources (source emitter) and• the need of high precision measurements with sensitive equipment (susceptible victim) 

is especially critical (transient effects).

DC & pulsed systems:• DC: magnets, cryogenics, vacuum, interlocks (most), PS general, controls, synchronization, laser systems for diagnostics

• Pulsed: RF, beam, beam measurements, interlock, laser (photo­cathode, pump­probe)

Observed EMI frequency range at TTF: hundreds kHz – tens MHz

Example: EMI in PMs due to pulsed power cables (modulator to klystron)• when first time connected to klystron 5 (operating ACC2&ACC3)  PM for gun coupler

Logbook entry: /TTFelog/data/2004/38/17.09_M  17.09.2004 13:41 O.HenslerSubject: Pulsed cables of modulator 5: During the puls cable tests some weeks ago, we had problems to connect our VME to the CANbus readout. The VME crates went to overtemperature and switched off. Was ok the last two days, after we connected the VME chassis to rack ground When the Modulator 5 is running, the use of walkie­talkie is impossible ! (C.Mueller)

caused interlockscaused interlocks

PM for couplers ACC4

Example: Investigations  pulsed power cables 

• lower noise signal due to improved grounding •  some investigations on radiation from cables done•  improved adaptation network required •  still too high current flow on outer cable shield

Location:

Goals and projects (from EMI TTF meeting)

Goals (need to be defined):•  voltage or currents on ground < … i.e. 1V/1A•  ADC noise level < 1mV•  no impact of other machine operations … PETRA•  EM radiation reduction to … outside/inside tunnel•  effective shielding and protections against EMI

       Projects:• online monitor system of EMI (e.g. 20 represent chan­nels, DAQ) •  certification standards for XFEL•  HV redistribution•  pulsed cable investigation and impact studies for ILC•  ground scheme for the XFEL•  documentation of devices, source 

EMI Influence on Detector➢ Not investigated yet➢ Till now RF pickup was not observed at TTF (only kHz­MHz)Except pyroelectrical detector people (bunch length measurements)Possible reason for not seeing RF pickup: no detectors close to the beam pipe 

Possible source of RF pickup: wakefields at the IP➔ Proper beam pipe design at the IP➔ Smooth charge flow in the pipe (careful with beam diagnostics etc.)

Beam RF Effects SummaryBeam RF Effects SummaryFrom MDI Workshop, Jan. 2005From MDI Workshop, Jan. 2005

Significant impact on:•  RF shielding for beamline and detector components•  Detector design•  Signal Processing and DAQ architecture

Beam rf effects have had a significant effect at previous colliders:

ex.  SLC, PEP­II, HERA, UA1beampipe heating and EMI from HOMs

Detector physicists MUST study this seriously together with the accelerator experts

Beam Test at SLAC ESA to further investigate this is proceeding:•  with SLD’s VXD3 and with simpler beampipe•  strong desire for this from international vertex community•  can provide important information for VXD design and for signal processing/DAQ for all LC Detector systems

Beam RF effects at Colliders (M. Woods)Beam RF effects at Colliders (M. Woods)

SLC

Problem for SLD VXD3 Detector

  Loss of lock between front end boards and DAQ boards  Solved with 10  µsec blanking around beam­

time – front end boards, ignore commands dur­ing this period with VXD2 had access to analog signals; ob­

served saturation for some  µs after each bunch crossing Will not be able to do such trick with ILC, as we 

need continuous reedout during bunch train

SLD

What can be the possible source?

Solutions for RF pickup? (Machine)

An RF shield in the IR was included in the NLC ZDRAn RF shield in the IR was included in the NLC ZDR

The RF shield and septum were proposed to reduce The RF shield and septum were proposed to reduce possible wakefield effects in the IR including RF heating possible wakefield effects in the IR including RF heating as well as beam deflections. as well as beam deflections. But: the RF shield is a significant source of backgrounds But: the RF shield is a significant source of backgrounds due to the scattering of the e+/e­ pairs from the IPdue to the scattering of the e+/e­ pairs from the IP

If the IR beampipe were a smooth hermetic gun barrel, there would be no issue.  But the IR geometry is complex with a crossing angle geometry, BPMs, pumps, …

It was revisited and concluded it was not needed to reduce RF heating and wakefield kick effects

Solutions ? (Detector)

Impact of Beam RF Effects on Detector Design and Impact of Beam RF Effects on Detector Design and DAQ Architecture?DAQ Architecture?

              Do EMI worries necessitate storing signals locally for readout to DAQ during (quiet) inter­train period?

VXD•  CCD small signals; 20­micron pixels nead readout 20X per 

train to have acceptable occupancy/pixelTo avoid RF pickup:

•  ISIS proposal:  CCD Image Sensor with In­Situ Storage- 800M pixel detector   800M (image) x 20 (storage) pixels!→(see talk by C. Damerell at LCWS 2004)

•  FPCCD proposal:  5­micron CCD pixels   13 Giga­pixels!→(see talk by Y. Sugimoto at ACFA Nov. 2004 Workshop)

Other Systems sensitivity and DAQ architecture •  in particular for forward region detectors with large occupancy•  SiD electronics design (see Marty’s talk) does local storage

of signals for inter­train readout

RF Pickup Tests at TTF ?

We can check RF pickup at TTF Can start with putting antenna and wat­

ching signal on it Need antenna limited up to 2 GHz  Not a trivial task to do it Not easy to operate it in pulsed regime Mafia calculations of the electromagnetic 

fields (not easy with short bunches) Try to put vertex prototype close to the 

beam? Interesting for almost all VTX technologies! 

Possible test locations at TTF: OTR Stations 

Possible test locations at TTF:OTR Stations 

Summary (Machine)

EMI can critical influence on the performance and the cost of the machine

•  has big impact on the machine commissioning time!•  Complex subject since:   spans large range in power i.e. from 10kV …. 100 uV   spans large range in frequencies DC …. ~100 MHz   many different groups involved (MKK,MHV­p, LLRF, …)•  Requires:

Systematic study of EMI occurrence at TTF2 Needs assessment of the various subsystem (TTF2/XFEL/ILC)Development of cost efficient solutions (TTF2/XFEL/ILC)

Summary (Detector)

 Significant impact of EMI on:•  RF shielding for beamline and detector components•  Detector design•  Signal Processing and DAQ architecture

 Detector physicists MUST study this seriously to­gether with the accelerator experts Need experimental check Possible measurements can be done with TTF beam Next steps?

Many thanks for the information and good ideas to Nicolo de Groot,  Uli Kötz, Peter Göttlicher, Holger Schlarb, Nicoleta­Ionela Baboi, ...